摘 要： 隨著武器系統高可靠性要求的不斷加強和國產電子元器件基礎水平的不斷提高，越來越多的陶瓷封裝軍用SMD開始應用於型號產品。該類器件的引線多採用鍍金工藝，焊接時必須進行除金處理。用四種焊接工藝方法對鍍金引腳器件焊接，對比分析器件焊點的焊接質量，得出鍍金引腳器件最佳焊接工藝方法。
關鍵詞： 鍍金；引腳；焊點；質量分析
按照現行航天標準QJ3267-2006《電子元器件搪錫工藝技術要求》和QJ3011-1998《航天電子電氣產品焊接通用技術要求》的規定，器件引線鍍金層厚度在1.27 μm以上的，必須進行「除金」，即搪錫處理。而按照GJB1420B-2011《半導體集成電路外殼總規範》的要求，器件引線鍍金層厚度應在1.3～5.7 μm。綜合這兩個標準，可以認為鍍金SMD搪錫是必須進行的。
由於SMD器件封裝集成度高，尤其是QFP封裝，其引線間距很小且較柔軟，在通孔安裝元器件時搪錫慣用的錫鍋搪錫極容易產生橋連或使器件因稍受外力而引線變形，這都將直接影響再流焊接的質量甚至使器件無法正常貼裝。而採用手工搪錫或手工焊接工藝，其效率和質量也大大降低，不適應技術發展的需要。
1 鍍金引腳搪錫要求
1.1 為什麼鍍金器件要做搪錫處理
Au雖然是對釺料而言，具有很好的潤溼性。但是當釺料中金的質量分數超過3%，會使焊點變脆，機械強度下降而引發質量問題[1,2]。從20世紀80年代起，在國內外公開文獻中，均可以發現有因金脆導致的質量問題報導[3]。因此，國內航天標準一直要求鍍金元器件必須進行搪錫處理。在通孔安裝元器件廣泛採用的年代，錫鍋搪錫工藝被廣泛應用。
1.2 當前國內外標準對此類工藝的要求
儘管業內充分認識到金脆的危害，但是隨著表面安裝元器件的廣泛使用，傳統的搪錫方法，無論是手工搪錫還是錫鍋搪錫，都難以滿足表面安裝元器件、電連接器安裝共面性和可靠性的要求，對生產帶來了新的問題。而金脆造成的質量問題似乎也總是「聽說」，並沒有實際經歷。故人們的認識也發生了分歧。對鍍金SMD是否搪錫也出現了不同的處理方式。國內外相關標準對鍍金器件搪錫的要求見表1[4]。
從表1可以看出，國內外對鍍金器件是否搪錫也存在「強制要求」和「推薦要求」兩種做法。
在國外，以IPC為代表的標準行文規定留有餘地，但對如何界定不產生金脆的證據並沒有具體說明。以歐洲航空標準化協作組織為代表的標準認為鍍金層必須搪錫。目前，針對表貼器件搪錫需求，推出了專門的搪錫設備，採用瀑布式鍍錫系統，可滿足QFP的封裝器件的鍍錫要求。
大家分歧的焦點不在於對金脆現象的否定，而是對鍍金表面安裝元器件尤其是表面安裝電連接器的搪錫處理缺乏有效高效的手段，而傳統的方法會造成很多其他不利影響甚至導致後續的焊接工序無法進行。
在行業內對鍍金SMD的焊接一般採用四種方式：搪錫後焊接、不處理直接焊接、焊接後去錫再焊接、兩次焊接。下面就四種焊接方式的焊接質量進行分析。
2 鍍金引腳SMD焊接方案
2.1 選定器件
鍍金引線SMD種類較多，由於QFP器件基本可覆蓋有引線的其他SMD，因此決定主要針對QFP封裝器件進行研究，選用引線數為208腳、引線間距為0.5 mm的鍍金引線器件，該器件搪錫難度大，具有一定的代表性。
2.2 確定焊接工藝
根據常用的焊接方法，決定採用以下幾種方式進行焊接：
（a）器件先進行搪錫處理，然後採用回流焊接；
（b）器件首先直接採用回流焊接，然後用吸錫繩儘可能吸盡焊錫，最後用烙鐵再次進行焊接；
（c）器件先直接進行回流焊接，然後用電烙鐵加錫重熔；
（d）器件直接進行回流焊接，引線不作處理。
第一種焊接方式符合航天標準的要求，但操作有一定的難度；第二種焊接方式被認為是對搪錫困難的器件「除金」的一種補充形式；第三種焊接方式較少使用；第四種焊接方式在未作強制搪錫要求時使用。
2.3 焊接質量分析要求
採用上述焊接方法各焊接一片QFP晶片，然後送檢進行焊接質量分析。檢測試驗包括拉力測試、金相切片及SEM&EDS，主要檢測內容包括焊點拉脫力、金屬間化合物、金元素含量等。檢測依據和方法包括：
（a）參考GB/T 4677-2002印製板測試方法8.3.2試驗15b：顯微剖切；
（b）GB/T 16594-2008微米級長度的掃描電鏡檢測方法；
（c）GB/T 17359-1998微束分析能譜法定量分析；
（d）JIS Z3198-6鉛制焊料的檢測方法第六部分：QFP引入的焊料45°牽引測試。
3 鍍金器件焊接質量分析
3.1 試驗板的裝配
3.1.1 器件搪錫處理
將鍍金引線搪錫專用錫鍋溫度設置為280℃，手持器件，將器件引線塗適量助焊劑，然後與錫鍋面垂直方向成0°～30°夾角浸入錫鍋錫鉛焊料中，搪錫時間1～2s，保證搪錫高度略高於引線根部。在搪錫過程中如果出現橋連情況，可用吸錫繩吸去多餘的焊錫，並對輕微變形引線進行矯正。
3.1.2 器件焊接
按以下方法將器件焊接在試驗板上：
（a）將搪過錫的一隻晶片焊接在一塊試驗印製板上，試驗板編號為1#，如圖1所示；
（b）將未搪錫的一隻晶片焊接在一塊試驗印製板上，然後用吸錫繩儘可能吸盡器件四周引線上的焊錫，並用電烙鐵加錫對引線再次進行焊接，試驗板編號為2#，如圖2所示；
（c）將未搪錫的一隻晶片焊接在一塊試驗印製板上，對器件的四邊引線分別標識A、B、C、D，對A和B兩邊的引線用烙鐵進行重熔處理，如圖3所示；C和D保持原狀，如圖4所示。
上述試驗板裝配完成後，用無水乙醇對器件焊點清洗乾淨。
3.2 試驗板焊點檢測分析
將3塊試驗板送檢對4種焊接狀態的焊點進行焊接質量分析。分析主要內容包括拉力測試、金相切片/SEM（電鏡掃描）和EDS（能譜分析）等。
3.2.1 拉力測試
參考JIS Z 3198-6標準，每種焊接方式選取7個引線，進行45°拉脫，測試數率為10 mm/min，記錄最大拉脫值。拉力試驗結果見表2。
通過對器件採用不同去金處理工藝後的焊點進行脫拉力試驗，結果表明：1#樣品（搪錫後焊接）的焊點拉力值明顯較其他三種焊接方式的力值要大，力值的均值大小順序為：1#＞3C＞3A＞2#，且1#樣品7個被測焊點中有4個焊點的機械分離模式為焊盤被拉起，而其他3種焊接方式焊點的機械分離位置均發生在引線與焊料間，從拉力值及機械分離位置看，採用搪錫處理然後焊接的狀態較好。
3.2.2 金像切片/SEM & EDS
參照GB/T 4677-2002和GJB 4907-2003要求，將樣品用環氧樹脂鑲嵌後進行研磨拋光，直到劃痕和汙斑消失，微蝕漂洗乾淨後，在金相顯微鏡下觀察指定焊點截面情況。參考GB/T 16594要求，採用SEM觀察焊點截面合金層狀況；參考GB/T17359-1998要求，採用EDS對焊點進行面掃描，並記錄結果。焊點金相切片及合金層狀況見表3，IMC層厚度測量結果見表4，代表性SEM照片及EDS照片如圖5~圖8所示。
從表中分析結果看，1#（搪錫後焊接）和3C（直接焊接不作處理）焊點截面存在少量金元素，而2#（直接焊接後用吸錫繩去錫再手工焊接）和3A（直接焊接後用烙鐵重熔）焊點截面存在較多Au元素。四種焊接方式合金層的厚度均約在1.5~3.5 μm，滿足相關要求。
從圖中看出，1#產品焊接層Au元素的質量分數為2.32%，2#產品焊接層Au元素的質量分數為13.83%，3A產品焊接層Au元素的質量分數為6.10%，3C產品焊接層Au元素的質量分數為4.72%，由此得出：經搪錫處理的焊點「除金」效果最好，用吸錫繩吸掉焊錫再焊接的方式「除金」效果最差。
通過金相切片及SEM & EDS分析，四種焊接方式的焊點內部有以下共同點：
（a）金相切片結果顯示Pb元素在焊料內部擴散分布均勻；
（b）SEM分析顯示界面合金均較為均勻連續；
（c）從面掃描的結果看，Au元素在焊點中的分布較為均勻。
不同點主要體現在以下幾個方面：
（a）2#樣品的焊點的引線與PCB焊盤相距最近，以至於有較多空洞存在，焊料也相對較少，Au元素含量明顯高出其他3種焊接方式的焊點；
（b）不同處理焊接方式焊點中的Au元素含量有較明顯差別，依次為：1#＜3C＜3A＜2#；
（c）3A樣品焊點截面未見明顯空洞，這可能與焊接兩次有關；
（d）採用搪錫處理和不採取任何處理的焊點局部存在少量Pb富集的現象。
3.2.3 試驗分析結論
採用不同的「除金」處理對去金效果有比較明顯的差別，一方面體現在焊點中Au元素的含量，另一方面體現在焊點的強度（通過焊點拉力值體現）。試驗結果表明：
a）焊點中Au元素均擴散均勻，Au元素含量越高，焊點強度越低，即Au元素含量與焊點強度成反比；
b）採用搪錫處理對去金效果最佳，焊接強度最好；不進行任何處理直接焊接比其他兩種再次焊接的焊接強度好。
4 結論
對鍍金引線SMD最可靠的焊接方式是對器件先進行搪錫處理，然後再進行焊接，而先焊接然後用吸錫繩去錫後再焊接的方式是最差的處理方式。
因此，在高可靠性場合應用的電子產品，使用鍍金引線的SMD，應採用先進行搪錫處理然後再焊接的方式。若確認器件引線鍍金層厚度＜1.3 μm或者確實搪錫較為困難時，直接焊接可以作為一種不得已的選擇。而採用吸錫繩去錫後再焊接和兩次焊接的方式均為不可取的焊接方式。但是本文所述二次焊接，均為未拆卸元器件的直接焊接處理，對於某些單位採用的設計專用印製板採用返修工作站進行器件搪錫在焊料熔融時取下器件再進行實際產品裝配的方法未作相關焊點金相分析和對比。
參考文獻
[1] 樊融融. 現代電子裝聯工藝可靠性[M]. 北京：電子工業出版社，2012.
[2] 曾福林, 邱華盛, 劉哲, 等. 「Im-Sn+熱處理」塗層工藝研究[J].電子工藝技術, 2011,32(2):76-79.
[3] 張偉, 王玉龍, 李靜秋. 振動條件下的CQFP器件高可靠組裝工藝[J] 電子工藝技術, 2012,33(3):160-164.
[4] 張偉, 石寶松, 孫慧, 等. 電子產品元器件去金工藝研究[J]. 電子工藝技術, 2013,34(5):273-275.
（end）
關於CQFP：
CQFP（Ceramic Quad Flat Pack）是由幹壓方法製造的一個陶瓷封裝家族。兩次幹壓矩形或正方形的陶瓷片(管底和基板)都是用絲絹網印花法印在焊接用的玻璃上再上釉的。玻璃然後被加熱並且引線框被植入已經變軟的玻璃底部，形成一個機械的附著裝置。一旦半導體裝置安裝好並且接好引線，管底就安放到頂部裝配，加熱到玻璃的熔點並冷卻。
CQFP可以有很多引腳數量和外形尺寸的選擇。這種封裝是一種密封的表面安裝封裝形式。陶瓷，引腳框架和陶瓷三者用玻璃密封連在一起，形成內部晶片的連接和外部與電路板的連接。有些封裝在引腳框架的頂部設計有窗口式陶瓷架，以加強附著力。另一些沒有窗口框架的管殼必須與口杯型陶瓷蓋板相匹配。CQFP歷史悠久，現在仍在半導體技術中使用，如：數字模擬轉換器、微波、邏輯電路存貯器、微控制器和視頻控制器。
CQFP封裝的特點：
（1）管腳與PQFP相兼容。
（2）引腳數14至304，引腳間距25至50密耳。
（3）密封的表面貼裝。
（4）引腳形。
（5）引腳渡層：金、浸料式：扁平、翼形、J形或錫
（6）高導熱陶瓷
（7）符合JEDEC標準
（8）多種腔體尺寸需求尺寸可以符合大部分晶片。
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